Luận văn:Nghiên cứu sử dụng nanoclay để cải thiện tính năng cao su mặt lốp công trình pdf

Mục ñích nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng của nanoclay ñến tính năng cao su mặt lốp công trình và ñánh giá khả năng ứng dụng của nanoclay trong ngành công nghiệp sản xuất lốp ô tô, xe ñ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Công trình ñược hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS ĐOÀN THỊ THU LOAN

Phản biện 1: PGS.TS LÊ TỰ HẢI

Phản biện 2: PGS.TS PHẠM NGỌC ANH

Luận văn ñược bảo vệ trước Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 29 tháng 07 năm 2011

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn ñề tài

Hiện nay, loại ñộn ñược sử dụng phổ biến trong công nghiệp cao su là than ñen và silica Tuy nhiên, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật ngày nay, ñặc biệt là sự phát triển của công nghệ nano, một hướng nghiên cứu mới ñem lại hiệu quả cao trong ngành công nghiệp sản xuất cao su, ñó là sử dụng ñộn có kích thước nano, tiêu biểu là ñộn silicate dạng lớp ñã ñược biến tính hữu cơ hay còn gọi là organoclay, khi phân tán vào cao su sẽ tách lớp hoặc xen lớp trở thành ñộn có kích thước nano

Trong sự cạnh tranh mạnh mẽ của ngành công nghiệp sản xuất lốp ô tô, việc hạ giá thành và quan trọng là nâng cao chất lượng sản phẩm ñóng vai trò quyết ñịnh sự thành công của các doanh nghiệp Trong bối cảnh ñó, Công ty cổ phần cao su Đà Nẵng ñã không ngừng nghiên cứu ñưa các loại nguyên vật liệu mới vào sử dụng nhằm mục ñích nâng cao chất lượng sản phẩm

Chính vì vậy, tôi ñã chọn và thực hiện ñề tài: “NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NANOCLAY ĐỂ CẢI THIỆN TÍNH NĂNG CAO

SU MẶT LỐP CÔNG TRÌNH”

2 Mục ñích nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của nanoclay ñến tính năng cao su mặt lốp công trình và ñánh giá khả năng ứng dụng của nanoclay trong ngành công nghiệp sản xuất lốp ô tô, xe ñạp, xe máy,…

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

- Cao su thiên nhiên cốm 1 SVR3L và cao su tổng hợp

Polybutadien BR40

- Các loại phụ gia cho cao su ñược nhập trong và ngoài nước

- Clay có tên thương mại là Bentone SD-1, ñã ñược biến tính hữu cơ, ñược cung cấp bởi công ty Brenntag – TP Hồ Chí Minh

4 Ph ương pháp nghiên cứu

♦ Phương pháp chế tạo mẫu:

- Quá trình hỗn luyện: khảo sát thời gian và quy trình luyện

- Quá trình tạo mẫu: khảo sát thời gian lưu hóa ở nhiệt ñộ lưu hóa 1600C

♦ Phương pháp phân tích và xác ñịnh các tính chất:

- Khảo sát ñịnh tính mẫu bột nanoclay

- Phương pháp khảo sát sự phân tán nanoclay vào cao su

- Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay ñến tính chất cao su mặt lốp

- Khảo sát sự phân tán bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi ñiện tử truyền qua (TEM)

- Khảo sát bề mặt mẫu phá hủy sau khi kiểm tra ñộ bền xé rách bằng kính hiển vi ñiện tử quét (SEM)

5 Ý ngh ĩa khoa học và tính thực tiễn của ñề tài

- Ý nghĩa khoa học: ñánh giá ñược ảnh hưởng của nanoclay ñến tính năng của sản phẩm cao su

- Ý nghĩa thực tiễn: Đánh giá khả năng ứng dụng của nanoclay trong ngành công nghiệp sản xuất lốp ô tô, xe ñạp, xe máy

6 Bố cục luận văn

Ngoài phần mở ñầu, kết luận, tài liệu tham khảo luận văn gồm có các chương như sau :

- Chương 1: Lý thuyết tổng quan

- Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm

- Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

1.1.3 Giới thiệu về lốp công trình – OTR Tire

Lốp công trình bao gồm các loại lốp chuyên dụng trên các

xe công trình như: máy xúc, máy ủi, máy ñào, lốp chạy ở cảng,…Lốp chạy với tốc ñộ không cao, nhưng ñiều kiện mặt ñường

sử dụng và yêu cầu về tính năng phụ tải là rất khắc nghiệt Lốp công trình thường sử dụng kết cấu của lốp bố chéo - Bias, không săm, không khí ñược bơm trực tiếp vào trong lòng lốp

Những tính năng chủ yếu ảnh hưởng ñến tuổi thọ sử dụng của lốp công trình ñược khảo sát trên thực tế gồm: tính chịu mài mòn, tính chịu cắt xé khi chạy, tính chịu ñâm thủng, tính chịu ép nén uốn gập, tính chịu lão hóa,… [21]

1.1.4 Quy trình công nghệ sản xuất lốp ô tô

1.1.5 Kết cấu và tác dụng của các thành phần lốp ôtô

Lốp ô tô do 4 thành phần chính cấu thành: Mặt lốp, thân lốp, gót lốp và cao su da dầu (hình 1.2)

Hình 1.2: Kết cấu mặt lốp ô tô

1.2 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG ĐƠN PHA CHẾ CAO SU MẶT LỐP CÔNG TRÌNH

♦ Cao su nguyên vật liệu:

- Cao su thiên nhiên SVR3L

- Công thức phân tử của cao su thiên nhiên như sau: (C5H8)n

- Công thức cấu tạo:

H2C C CH CH2C

1.2.1.2 Sản xuất cao su thiên nhiên

1.2.1.3 Tính chất cao su thiên nhiên

1.2.2 Cao su Butadien – BR

1.2.2.1 Các loại cấu trúc Polybutadien

Monomer dùng ñể sản xuất BR là butadien, cấu tạo phân tử như sau:

C

1.2.2.2 Phân loại cao su Butadien

1.2.2.3 Cấu trúc cao su Butadien

Cấu trúc của BR ñược biểu diễn như sau:

H2C CH CH CH2

n

1.2.2.4 Tính năng cao su Butadien

1.2.2.5 Ứng dụng của cao su Butadien

1.2.3 Chất lưu hóa - lưu huỳnh

Lưu huỳnh dùng cho lưu hóa cao su thường ở dạng α - dạng tồn tại nhiều và bền vững ở nhiệt ñộ thường, có tinh thể hình thoi, màu vàng, tỷ trọng 2.07, tnc = 112.80C Lưu huỳnh dạng α ít tan trong cao su

1.2.3.1 Hoạt tính lưu hóa của lưu huỳnh

1.2.3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng lưu huỳnh trong hợp phần cao su

1.2.4 Chất xúc tiến lưu hóa

1.2.4.1 Khuyết ñiểm của lưu huỳnh khi lưu hóa cao su 1.2.4.2 Mục ñích sử dụng xúc tiến lưu hóa

1.2.4.3 Cơ chế lưu hóa của xúc tiến

1.2.4.4 Yêu cầu ñối với xúc tiến lưu hóa

1.2.4.5 Lựa chọn xúc tiến lưu hóa

1.2.4.6 Xúc tiến lưu hóa CZ

- Xúc tiến sử dụng là xúc tiến CZ thuộc nhóm Sulfenamid [23]

- Tên gọi là N-cyclohexyl-2-benzothiazol sulfonamide

- Công thức cấu tạo:

N

S NH

1.2.5 Chất trợ xúc tiến ZnO và axit stearic

- ZnO: là chất bột hoặc tình thể màu trắng, trọng lượng riêng 5.41 ~ 5.67 g/cm3, nhiệt ñộ nóng chảy 19750C, gia nhiệt ñến 18000C thì thăng hoa, lượng dùng thường từ 3 ~ 5 PKL [23]

- Acid Stearic: công thức cấu tạo là CH3(CH2)16COOH, thường có dạng hạt hay phiến, tỷ trọng tương ñối 0.9480 (ở 200C), nhiệt ñộ nóng chảy 70 ~ 710C Lượng dùng Acid Stearic thông thường từ 0.5 ~ 2 PKL [23]

- 4020 là chất phòng lão kháng Ozon cho cao su thiên nhiên

và cao su tổng hợp, ở thể rắn, màu xám ñen, tỷ trọng 0.986 ~ 1.00, nhiệt ñộ nóng chảy 40 ~ 450C [23]

1.2.7.1 Yêu cầu kỹ thuật ñối với chất hóa dẻo

1.2.7.2 Dầu hóa dẻo Aromatic

- Dầu hóa dẻo Aromatic ở thể lỏng nhớt màu vàng, ánh xanh ñậm, mùi dầu nhẹ

1.2.8 Chất ñộn

1.2.8.1 Than ñen N330

Than N330 còn gọi là than HAF hay than cứng thuộc loại than lò chịu mài mòn cao Than N330 có tốc ñộ lưu hóa trung bình, kích thước bình quân của hạt than nằm trong khoảng 26 ~ 30 nm [23]

1.2.8.2 Silica - SiO 2

Silica ở dạng vô ñịnh hình, trong kết cấu hóa học của than trắng có ñến 95 ~ 99% là SiO2, gồm nguyên tử Silic và Oxy sắp xếp thành cấu trúc tứ diện Kích thước hạt từ 1 – 100 nm [22]

1.2.9 Chất tương hợp Si-69

Chất tương hợp hay tác nhân liên kết là các hợp chất Silane

1.2.10 Chất phòng tự lưu - Vulkalent PVI

- Dạng tinh thể màu vàng nhạt Nhiệt ñộ nóng chảy 89 -

940C Điểm chớp cháy 2800C

1.3 CẢI THIỆN TÍNH NĂNG CAO SU MẶT LỐP CÔNG TRÌNH BẰNG CLAY BIẾN TÍNH HỮU CƠ - ORGANOCLAY 1.3.1 Giới thiệu về clay

1.3.1.1 Cấu trúc clay

Clay hay còn gọi là khoáng sét, ñược cấu tạo từ các lớp mỏng, mỗi lớp có chiều dày gần 1 nanomet, còn chiều dài từ vài trăm ñến vài nghìn nanomet

1.3.1.2 Clay biến tính hữu cơ - Organoclay

♦ Các phương pháp biến tính clay:

•••• Phương pháp trao ñổi ion:

•••• Sử dụng chất liên diện:

1.3.2 Cao su gia cường bằng nanoclay

Tùy theo ñộ bền liên kết bề mặt giữa cao su và clay, có thể

chia cao su-clay thành ba loại như sau [2]:

- Dạng kết tụ (thông thường)

- Dạng chèn lớp (intercalated)

- Dạng tách lớp

Hình 1.11: Các dạng cấu trúc của cao su gia cường nanoclay

1.3.3 Các phương pháp chế tạo cao su gia cường bằng nanoclay

♦ Trùng hợp In-situ

♦ Sự chèn lớp thông qua dung dịch

♦ Phương pháp nóng chảy trực tiếp

♦ Sự chèn lớp của cao su thông qua hỗn hợp latex

1.3.4 Các y ếu tố ảnh hưởng ñến morphology của cao su gia cường bằng clay trong phương pháp nóng chảy

1.3.5 Tính năng của cao su gia cường bằng nanoclay

1.3.5.1 Kích thước nano

1.3.5.2 Tính xúc tác

1.3.5.3 Tỷ lệ kích thước (aspect ratio)

1.3.6 Ưu ñiểm và những thách thức của cao su gia cường bằng ñộn kích thước nano

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

2.1 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

♦ Chất lưu hóa, chất xúc tiến, chất tương hợp và phòng tự lưu:

- Chất tương hợp Si-69 - Silane JH S69 - Jingzhou Jianghan Fine Chemical

- Lưu huỳnh - Sulphur Powder Miwon Chemical Korea

- Xúc tiến CZ - Accelerator CBS Taian Tianli China

- Vulkalent PVI - Shandong Yanggu Huatai Chemical China

♦ Chất trợ xúc tiến:

- Oxide kẽm - ZnO xạ hiếm

- Acid Stearic - Taiko Malaysia

♦ Chất hóa dẻo:

- Dầu Aromatic - Mexon P-140 của nhà cung cấp Mekong Petrochemical, Vĩnh Long, Việt Nam

2.1.2 Đơn pha chế

Dựa trên cơ sở ñơn pha chế “Cao su mặt lốp công trình”,

dựa vào các nghiên cứu trước ñây, sử dụng thêm chất tương hợp

Si-69 [21] và thay ñổi hàm lượng nanoclay 1PKL, 2PKL, 3PKL, 5PKL,

ta có các thí nghiệm như sau:

Bảng 2.1: Đơn pha chế thí nghiệm

2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.2.1.Quá trình nghiên cứu

Quá trình nghiên cứu ñược thể hiện bằng sơ ñồ khối thể hiện

ở hình 2.12

2.2.2 Quy trình gia công t ạo mẫu

2.2.2.1 Luyện kín

2.2.2.2 Luyện hở

2.2.2.3 Kiểm tra ñiểm lưu hóa

2.2.2.4 Lưu hóa mẫu

2.2.3 Phân tích ñịnh tính nanoclay

2.2.4 Khảo sát sự phân tán của nanoclay trong cao su

2.2.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

2.2.4.2 Phương pháp hiển vi ñiện tử truyền qua (TEM)

2.2.5 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay ñến tính chất của cao su lưu hóa

2.2.5.1 Đo ñộ bền xé rách

2.2.5.2 Kiểm tra các tính năng cơ lý

2.2.5.3 Đo ñộ cứng

2.2.5.4 Đo ñộ ñàn hồi - ñộ nảy cao su 2.2.5.5 Đo mài mòn DIN

2.2.5.6 Đo mài mòn AKRON

2.2.5.7 Đo ñộ nội sinh nhiệt do ép nén

Hình 2.1: Sơ ñồ nghiên cứu ảnh hưởng của nanoclay ñến tính năng

Luyện hở

Ổn ñịnh 8h, tophòng

Kiểm tra ñiểm lưu hóa phòng

Khảo sát bề mặt phá hủy mẫu bằng kính hiển vi ñiện tử quét (SEM)

2.2.6 Khảo sát bề mặt phá hủy của mẫu sau khi ño ñộ bền xé rách

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ĐỊNH TÍNH NANOCLAY

Các peak ñặc trưng của octadecylamine tại số sóng 2922.9, 2851.8 cm-1 cũng xuất hiện trên phổ FTIR của mẫu nanoclay, so sánh với những phổ trong những nghiên cứu khác, thấy rằng clay ñã ñược biến tính bằng octadecylamine (hình 3.2) [10]

Hình 3.1: Phổ FTIR của mẫu bột nanoclay

3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG NANOCLAY ĐẾN SỰ PHÂN TÁN NANOCLAY TRONG HỢP PHẦN CAO SU

3.2.1 Phổ nhiễu xạ tia X (XRD)

Sau khi phân tán clay trong cao su thì các peak này dịch chuyển về bên trái và diện tích peak giảm cho thấy ñã xảy ra sự chèn

và tách lớp clay

(a)

(c)

(e) (b)

(d)

Cùng với kết quả nhiễu xạ tia X (hình 3.3), kết quả khảo sát hiển vi ñiện tử truyền qua (hình 3.4) ñã khẳng ñịnh vật liệu nanocomposite trên cơ sở cao su và nanoclay ñược phân tán bằng phương pháp nóng chảy có cấu trúc xen lớp và tách lớp Các mạch ñại phân tử cao su ñã chèn vào giữa các lớp clay và các lớp clay ñã bị bóc tách

3.3 KHẢO SÁT THỜI GIAN LUYỆN THEO NHIỆT ĐỘ THÁO SU

Hình 3.5: Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay ñến thời gian hỗn

luyện

Từ ñồ thị cho thấy, ở cùng một nhiệt ñộ tháo liệu là 1500C, khi tăng hàm lượng nanoclay thì thời gian hỗn luyện tăng

3.4 KH ẢO SÁT THỜI GIAN LƯU HÓA

Từ ñồ thị cho thấy khi tăng hàm lượng nanoclay thì làm giảm thời gian lưu hóa

Đồ thị biểu diễn thời gian hỗn luyện

0 50 100 150 200 250 300 350

Hình 3.6: Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay ñến thời gian lưu hóa

3.5 ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG NANOCLAY ĐẾN ĐỘ BỀN XÉ RÁCH

Dựa vào ñồ thị ta thấy ñộ bền xé rách của mẫu cao su tăng khi gia cường bằng nanoclay và ñạt kết quả tốt nhất ở 2PKL, sau ñó giảm dần khi tiếp tục tăng hàm lượng nanoclay

Hình 3.8: Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay ñến ñộ bền xé rách

của cao su

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

3.6 ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG NANOCLAY ĐẾN TÍNH NĂNG CƠ LÝ CỦA CAO SU LƯU HÓA

3.6.1 Độ bền kéo ñứt

Dựa vào ñồ thị ta thấy rằng so với mẫu không gia cường bằng nanoclay thì ñộ bền kéo ñứt của mẫu gia cường bằng nanoclay với hàm lượng 1PKL, 2PKL, 3PKL cao hơn và ñạt cực ñại ở 1 PKL Tại 1PKL, ñộ bền kéo ñứt của cao su tăng so với cao su không gia cường bằng nanoclay và giảm nhẹ ở mẫu gia cường 2PKL nanoclay

Hình 3.10: Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay ñến ñộ bền kéo ñứt

Hình 3.11: Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay ñến ñộ dãn dài khi

Hình 3.13: Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay ñến ñộ cứng

3.7 MÀI MÒN DIN VÀ AKRON

Từ ñồ thị ta thấy rằng gia cường cao su bằng nanoclay với hàm lượng lớn hơn 2PKL làm tăng ñộ mài mòn, nghĩa là làm giảm khả năng kháng mài mòn của cao su

Khi tăng hàm lượng clay làm giảm ñộ phân tán của clay, tạo

ra các kết khối liên kết yếu dễ bóc tách hơn nên ñộ mài mòn càng tăng

3.8 ĐỘ ĐÀN HỒI – ĐỘ NẢY SU

Từ ñồ thị ta thấy, ñộ ñàn hồi của hỗn hợp cao su giảm dần

khi tăng hàm lượng nanoclay

Độ nội sinh nhiệt

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Hình 3.16: Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay ñến ñộ ñàn hồi

3.9 ĐỘ NỘI SINH NHIỆT DO ÉP NÉN

Độ nội sinh nhiệt của hợp phần cao su tăng lên khi tăng hàm lượng ñộn nanoclay

Hình 3.17: Ảnh hưởng của hàm lượng nanoclay ñến ñộ nội sinh

nhiệt của cao su

Độ ñàn hồi

0 10 20 30 40 50 60 70

3.10 KHẢO SÁT BỀ MẶT PHÁ HỦY CỦA MẪU BẰNG KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT (SEM) SAU KHI ĐO ĐỘ BỀN XÉ RÁCH

Hình 3.18: Kết quả SEM của mẫu cao su không gia cường nanoclay

Hình 3.19: Kết quả SEM của mẫu cao su gia cường 2PKL nanoclay

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

1 KẾT LUẬN

- Kết quả nghiên cứu cho thấy ñã có sự chèn và tách lớp clay trong hợp phần cao su khi mẫu cao su gia cường bằng nanoclay ñược chế tạo theo ñiều kiện gia công hiện tại ở Công ty CP Cao su Đà Nẵng

- Đã khảo sát ñược thời gian hỗn luyện phù hợp với quy trình

- Khi sử dụng nanoclay gia cường cho cao su ở 2PKL thì ñộ bền xé rách của vật liệu tăng ñáng kể, ñộ ñàn hồi tăng và ñộ nội sinh nhiệt do ép nén là thấp nhất Độ bền xé rách cao là một yêu cầu rất quan trọng của cao su mặt lốp công trình – lốp làm việc ở ñiều kiện khắc nghiệt Bên cạnh ñó, nanoclay biến tính bằng ODA làm giảm thời gian lưu hóa của cao su, clay ñóng vai trò như chất trợ xúc tiến của quá trình lưu hóa làm rút ngắn thời gian lưu hóa

2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Do ñiều kiện của phòng thí nghiệm và thời gian hạn chế nên

ñề tài còn nhiều vấn ñề chưa khảo sát ñược Để phát triển ñề tài và ñưa vào ứng dụng thực tiễn, cần nghiên cứu thêm các vấn ñề sau:

- Khảo sát thêm quy trình luyện ñể xác ñịnh ñiều kiện gia công tối ưu, giúp cho nanoclay phân tán tốt nhất trong hợp phần cao su

- Khảo sát thời gian lưu hóa thực tế, dải lưu hóa tối ưu của cao su gia cường bằng nanoclay trong sản xuất

- Nghiên cứu khả năng chống thấm khí của cao su gia cường bằng nanoclay ñể áp dụng cho các sản phẩm yêu cầu tính kín khí cao như săm thiên nhiên và săm butyl